专业硕士学位论文答辩PPT

ABAQUS中HOEK-BROWN弹塑性模型的二次开发及应用2020/3/20专业硕士学位论文之姓名：学号：导师：专业：建筑与土木工程学院：主要内容1本文内容及创新点2Hoek-Brown准则圆化处理及数值实现3数值算例4Hoek-Brown准则参数获取与敏感性分析5Hoek-Brown准则强度折减技术及应用1本文内容及创新点2H-B准则圆化处理及数值实现3数值算例4H参数选取及敏感性分析5H-B强度折减技术及应用1本文内容及创新点2H-B准则圆化处理及数值实现3数值算例4H参数选取及敏感性分析5H-B强度折减技术及应用难点1本文内容及创新点2H-B准则圆化处理及数值实现3数值算例44H参数选取及敏感性分析1研究现状及本文内容背景1H-B准则因自身优点得到广泛应用，但少用于有限元计算2用线性M-C准则等效非线性H-B准则存在较大误差，因此，最理想的情况仍是直接将H-B准则应用于数值分析a.能综合反映岩石强度、结构面、应力条件影响目标1介绍H-B经验准则的各种形式及参数获取定性、定量方法2提出新的圆化方法，并借助ABAQUS平台，实现数值计算3在复杂应力状态下引入拉伸截断1H-B准则用于数值计算的复杂性2准确、合理获取H-B参数3岩体抗拉强度的准确反映5H-B强度折减技术及应用c.能反映岩体非线性破坏特征及低应力区b.材料参数获取方法较为简便用不同形式抛物线拟合破坏实测数据引入经验参数表征岩体特性1980年，岩石：其中为岩石单轴抗压强度mi为材料常数两者可根据实验数据回归分析得到岩体：其中m,s为与岩体特性有关的材料常数对岩石有s=1，m=mi对岩体有s1，mmi这两者也可根据试验数据通过回归分析得到2H-B准则圆化处理及数值实现原始形式建立在RMR评价系统基础上的H-B准则建立在GSI评价系统基础上的H-B准则cσ0.5313cic(1)m0.5313cc()ms原始形式常用评分体系预测H-B经验参数零抗拉强度公式建立在RMR评价系统基础上的H-B准则建立在GSI评价系统基础上的H-B准则2H-B准则圆化处理及数值实现原始形式对于软弱岩体利用RMR体系确定参数并不适宜GSI受制于岩性、结构和不连续面建立在RMR评价系统基础上的H-B准则建立在GSI评价系统基础上的H-B准则2H-B准则圆化处理及数值实现0.5313cibci()ms扰动岩体为数值计算方便，以应力不变量表示H-B屈服条件2H-B准则圆化处理及数值实现313cibci()ams113cibci()aFsm1/1/11/11/1bci22bcicisinm2coscos033aaaaIFJJms221bci22bcicisinm4coscos033IFJJmsσ3'σ1'σ2''OIncreasingpTensilecornerCompressivecorner√22JSlightcurvature图2-4Hoek-Brown屈服准则圆化方法2H-B准则圆化处理及数值实现OtOcTtTcGABCDEHoek-Brown圆弧圆弧σ3'σ1'σ2'纯剪θ=30°θ'O=-30°θ-θ30°t=θθtθ-F=0°xy222cos(60)2sin(60)xJθyJθ22222sin(60)2cos(60)dddddd2cos(60)2sin(60)JθθJθyyθxxθJθθJθ于是，对于θt所对应的过渡点Tc(见左图)的坐标(xc,yc)以及过点Tc的切线斜率Kc分别可由下式表示：cctcctcos(60)sin(60)xOTθyOTθcttctcccttcttctsin(60)cos(60)ddddcos(60)sin(60)OTθθOTθyxKθθOTθθOTθ过点Tc作上述切线的垂线，与交于点Oc，则垂线斜率可表示为：ODncc1K=K图2-4Hoek-Brown屈服准则圆化方法2H-B准则圆化处理及数值实现OtOcTtTcGABCDEHoek-Brown圆弧圆弧σ3'σ1'σ2'纯剪θ=30°θ'O=-30°θ-θ30°t=θθtθ-F=0°xy在任一偏平面内，原点至圆弧圆心Oc的距离为：ncccocncncccocnc3()1313ykxxkykxyk22cococOOxy圆弧半径可由下式计算：22cccoccocc()()rOTxxyyccos30OGOO22222cccccsin30GTrOGrOOOt30qq＃o从而当时，有：ODtan30yx从而可以得到直线TcOc方程。又直线方程已知为，则两者交点Oc坐标为：图2-4Hoek-Brown屈服准则圆化方法2H-B准则圆化处理及数值实现OtOcTtTcGABCDEHoek-Brown圆弧圆弧σ3'σ1'σ2'纯剪θ=30°θ'O=-30°θ-θ30°t=θθtθ-F=0°xy2c2JOGGT由可得三个压缩顶点处圆弧屈服面方程为：c2c20FJOGGT22c2ococ22222occoccococ2cos(30)()()()sin300FJxyxxyyxyo显然，的大小控制圆化的程度，为了尽可能的接近原H-B屈服面，本文中均取为。tt29221bci22bcicitt222ococ22222ococcococt222ottottotsinm4coscos0332cos(30)()()()sin300302cos(30)()cIJJmsJxyFxxyyxyJyxyyy22tsin(30)0302H-B准则圆化处理及数值实现在数值计算中，随着荷载的增加，模型中某些高斯点的应力可能超过屈服应力，同时产生塑性应变，但由于屈服准则的存在，应力点不能超过屈服应力，在发生屈服时，应力点只能在屈服面上移动。因此必须把这些超过屈服应力的点调整回屈服面上，采用的方法即为本构积分算法或称应力更新算法。ATctTRbaRRDaRb更新后应力表达式：一致性刚度矩阵塑性效应是通过减小弹性矩阵中的数值降低材料的抗力2H-B准则圆化处理及数值实现613163σtσTσdd22212312132322212312132363222123121323TlllllllmmmmmmmmmnnnnnnnnnllσT61,,,,,Txyzxyxzyzσ12331,,Ttσ式中2H-B准则圆化处理及数值实现增量步开始调用UMAT子程序计算弹性刚度矩阵计算弹性预测应力计算屈服函数判断是否屈服塑性流动法则对屈服函数和塑性势函数求导应力更新算法计算塑性参数将应力拉回屈服面计算Jacobian矩阵，更新应力退出UMAT，增量步结束(1)申明语句及变量声明；(2)材料参数赋值；(3)弹性模量矩阵及预测应力计算；(4)屈服应力计算及屈服判断；(5)计算屈服函数及塑性势函数一阶导数及初次应力回映；(6)误差判断；(7)塑性修正迭代；(8)计算塑性参数增量；(9)计算一致性刚度矩阵；(10)更新塑性应变、应力。3.3单轴拉伸1研究现状及本文内容2H-B准则圆化处理及数值实现3数值算例44H参数选取及敏感性分析3.2三轴压缩1与实验数据对比分析2与M-C结果对比分析3.4围岩力学响应1与解析解比对2与FLAC软件计算结果比对1与理论结果对比分析2与M-C结果对比分析5H-B强度折减技术及应用3.5群桩模型3.6隧道开挖1砂-岩水平承载力对比分析2等效M-C方法应用及其结果对比分析1隧道开挖空间效应研究2掘进率及侧压力系数对LDP曲线的影响3数值算例3数值算例大多数岩石的压拉强度比在15~35之间，利用修正Hoek-Brown准则计算得到的岩石压拉比为14.24，基于Mohr-Coulomb准则计算的岩石压拉比为4.68，可见基于Mohr-Coulomb准则的结果显然与事实不符，而基于修正Hoek-Brown准则的计算结果较好3数值算例解析解：由C.Carranza-Torres等[97]提出，并于Flac软件计算结果能真实反映地下圆形或环形洞室开挖后围岩力学特性研究目标：计算破坏区域和应力分布rrbci2bθθbci2bsSmmsSmm2plcrriln()2rRSPθrrSSSplciii0exp2RPPr20cri11164SPi2bcibipsPmm002bcibsSmm式中：2plcrr00i()RSSSPr2plcrθ00i()RSSSPr塑性区弹性区相对误差项r越大，误差越小3数值算例rrbci2bθθbci2bsSmmsSmm2plcrriln()2rRSPθrrSSSplciii0exp2RPPr20cri11164SPi2bcibipsPmm002bcibsSmm式中：2plcrr00i()RSSSPr2plcrθ00i()RSSSPr塑性区弹性区相对误差项r越大，误差越小算例模型所采用的材料参数为：E=5.7GPa，ν=0.3，mb=30，s=1.0，a=0.5，σci=100MPa，为了有明显的塑性区出现，取外界围压σ0=200MPa，内部压力pi=0MPa，首先不妨取内径r0=2.5m，本文模型外径若取为R=20m，则理论计算的Sr=195.8MPa，与实际值误差为2.1%。3数值算例rrbci2bθθbci2bsSmmsSmm2plcrriln()2rRSPθrrSSSplciii0exp2RPPr20cri11164SPi2bcibipsPmm002bcibsSmm式中：2plcrr00i()RSSSPr2plcrθ00i()RSSSPr塑性区弹性区由该式计算的理论塑性区半径为2.920m，数值计算结果为2.908m，两者误差仅为0.4%.3数值算例rrbci2bθθbci2bsSmmsSmm2plcrriln()2rRSPθrrSSSplciii0exp2RPPr20cri11164SPi2bcibipsPmm002bcibsSmm式中：2plcrr00i()RSSSPr2plcrθ00i()RSSSPr塑性区弹性区3数值算例此模型由Wakai等[99]在实验室内建立，但Wakai等的模型针对的是砂土，与岩体力学特征差别较大，此处我们假设将土体替换为上文所述的DarleyDale砂岩，考虑到桩体可能产生的破坏，将桩体设为理想弹塑性模型，设置其抗拉或抗压强度。模型描述：岩体模型尺寸为2.5m(长)2m(宽)1.7m(高)，模型桩长1.5m，其中1.45m嵌固至岩体内，外径50mm，壁厚1.5m，桩矩为2.5倍桩外径。桩体上部为混凝土承台，尺寸为0.45m(长)0.45m(